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      北方大棚土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的研究

      2017-04-05 16:45:15蔣綠林張亮王昌領胡靜陳孚
      江蘇農(nóng)業(yè)科學 2016年12期
      關鍵詞:試驗研究控制太陽能

      蔣綠林++張亮++王昌領++胡靜++陳孚江

      摘要:針對北方地區(qū)大棚,設計了一套土壤源太陽能熱泵供熱系統(tǒng),對系統(tǒng)土壤蓄熱進行試驗研究。結(jié)果表明:輻照條件直接影響蓄熱系統(tǒng)的供水溫度,太陽輻照越強,制熱量越大,系統(tǒng)的能效比也越大。土壤源熱泵未開啟的情況下,利用土壤蓄熱的試驗大棚與對比大棚(未加供熱系統(tǒng))相比,地下10 cm處地溫平均日提升4.6 ℃,最高提升 6.5 ℃,大棚室內(nèi)溫度平均日提升2.4 ℃。

      關鍵詞:土壤源;太陽能;土壤蓄熱;控制;試驗研究

      中圖分類號: S215文獻標志碼: A

      文章編號:1002-1302(2016)12-0350-03

      收稿日期:2015-10-22

      基金項目:國家自然科學基金(編號:51308077);江蘇省高校自然科學基金(編號:13KJB560001)。

      作者簡介:蔣綠林(1965—),男,江蘇常州人,博士,副教授,主要從事太陽能熱泵及地源熱泵利用研究。E-mail:greenlife_51@163.com。

      [ZT(]

      為了滿足不同地區(qū)、不同氣候下植物的生長條件,溫室大棚應運而生。在我國北方嚴寒地區(qū),普通的溫室大棚還不能維持植物生長的適宜溫度,尤其是晚上無輻照、室外溫度較低的情況,大棚內(nèi)的溫度可能會降到0 ℃以下,必須對其適當供熱才能維持適宜的溫度范圍。北方存在大量的大棚,85%以上采用太陽能輔助燃煤對其供熱,這種高溫熱源低溫用的供熱方式不僅造成大量的能源浪費,而且燃煤鍋爐排放的[FK(W1。2]CO2、[FK(W1。2]NOx、[FK(W1。2]SOx等污染物對環(huán)境也造成了嚴重污染[1-2]。

      由于植物生長不僅需要適宜的溫度,還需要保證足夠的[FK(W1。2]CO2濃度和空氣濕度,因此種植人員會定期給大棚通風換氣,以保證植物光合作用所必需的[FK(W1。2]CO2和[FK(W1。2]H2O,無形中又浪費了一定的能量。有研究者將蓄熱性較強的蓄熱材料添加到溫室大棚內(nèi),這樣可將白天溫室內(nèi)多余的太陽能儲存起來并為晚上供熱所用[3];也有研究者直接用大棚內(nèi)的土壤來儲存白天的太陽能,并進行了相關研究[4-7]。在前人研究的基礎上,本試驗設計了一套土壤源太陽能熱泵供熱系統(tǒng),將熱泵技術和太陽能熱利用技術相結(jié)合并利用淺層土壤蓄能,白天充分利用太陽能,在滿足室內(nèi)熱負荷的前提下,將多余熱量儲存于大棚內(nèi)的地下土壤中。一方面,熱量會緩慢供給室內(nèi);另一方面,在晚上或者陰雨天氣等沒有輻照時,系統(tǒng)可切換成土壤源熱泵,利用地下熱量來給大棚室內(nèi)供熱。本試驗對北方大棚土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)進行了研究。

      1土壤源太陽能熱泵的設計

      1.1大棚模型及系統(tǒng)設計

      本試驗以北京順義某一大棚為例,大棚寬度60 m,進深 8 m,背面墻高度2.5 m,墻厚為500 mm。根據(jù)當?shù)靥柲芗皻庀筚Y料,系統(tǒng)設計為土壤源太陽能熱泵供熱系統(tǒng),由土壤源太陽能熱泵提供熱量,末端采用墻面管道輻射和水平地下埋管地坪輻射供熱系統(tǒng),如圖1所示。根據(jù)建設方提供的數(shù)據(jù),供熱設計負荷為20 kW。熱泵主機由江蘇常州??ㄌ柲軣岜糜邢薰旧a(chǎn),總共配備4臺,3臺常用,1臺備用。[ZT)]

      [FK(W9][TPJLL11.tif]

      植物生長需要適宜的溫度,根據(jù)中國農(nóng)業(yè)百科全書(蔬菜卷)中的講解,一般蔬菜作物的適宜生長溫度在5~35 ℃ 之間,主根群深度不超過30 cm[8]??紤]植物還需要光合作用所必需的CO2和H2O,因此大棚每天早上08:00—10:00 需要進行通風換氣,這樣會導致大棚內(nèi)的熱量大量散失。本試驗所述系統(tǒng)在滿足室內(nèi)溫度要求的前提下,將熱量通過水平橫埋管儲存于地下,地下埋管埋深40 cm,一方面提高了土壤溫度有利于植物根系的生長,另一方面減少了通風換氣時能量的流失。

      1.2土壤源太陽能熱泵原理及控制

      土壤源太陽能熱泵原理圖如圖2所示,系統(tǒng)包括太陽能熱泵單元、土壤儲/取能單元、土壤源熱泵單元、室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)單元和控制單元。系統(tǒng)分為2種運行模式:儲能模式和供熱模式。用溫度探頭分別探得太陽能集熱器的板芯溫度Tb、室外空氣溫度T0、大棚室內(nèi)空氣溫度Ti,控制器根據(jù)各溫度探頭的溫度信號,實現(xiàn)對太陽能壓縮機、土壤源壓縮機、第一水泵和第二水泵的啟??刂?。

      [FK(W15][TPJLL22.tif]

      1.2.1儲能模式當Tb-T0>ΔT1(其中ΔT1為太陽能熱泵設定的啟動溫差)時,開啟第一水泵10、太陽能壓縮機5,太陽能作為太陽能熱泵的低溫熱源,制冷劑吸收太陽能蒸發(fā)再經(jīng)過太陽能壓縮機5提升溫度后進入冷凝器4冷凝換熱,冷凝熱量經(jīng)土壤儲/取能單元儲存至地下土壤;當Tb-T0<ΔT2(其中ΔT2為太陽能熱泵設定的停機溫差)時,關閉太陽能壓縮機5和第一水泵10。

      1.2.2供熱模式當TiT2(其中T2為供熱模式時大棚內(nèi)空氣溫度設定的上限值)時,關閉第一、第二水泵和土壤源壓縮機。

      考慮到系統(tǒng)的簡化設計,本試驗所述系統(tǒng)沒有制冷功能,當室內(nèi)溫度過高時,直接打開頂棚透氣降溫。

      2試驗研究

      為檢測系統(tǒng)效果,在北京順義區(qū)某蔬菜基地搭建試驗平臺進行試驗。試驗數(shù)據(jù)采集設備有便攜式溫濕度儀HL-NT3-D、數(shù)顯太陽能輻照儀、智能溫度控制儀、套管式水銀溫度計、直角地溫計、流量計。通過測量太陽輻照變化、室內(nèi)外溫度變化、供回水溫度、水流量等參數(shù)對該土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)進行研究。

      2.13個典型日蓄熱系統(tǒng)的運行分析

      本試驗選擇了晴天、陰天、陰晴天3個典型日對土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的運行進行試驗,得出了輻照變化對蓄熱系統(tǒng)的影響如圖3所示。

      圖3表明,太陽輻照強度直接影響太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的供水溫度,輻照越強,所取得的供水溫度越高。供回水換熱溫差變化不大,一般在0~6 ℃之間,隨著輻照增強有所增大。

      [FK(W32][TPJLL33.tif]

      當輻照較弱時,供回水溫度基本相同,此時太陽能熱泵處于停機狀態(tài)。

      2.2輻照強度對系統(tǒng)制熱量及能效比(COP)的影響

      根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù),對土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的制熱量及COP進行分析。系統(tǒng)的制熱量為:

      [JZ(]Q=C0qm(t1-t2)。[JZ)][JY](1)

      COP為:

      [JZ(]COP=[SX(]QW[SX)]。[JZ)][JY](2)

      其中,C0為水的比熱容,t1、t2為供回水溫度,qm為水的質(zhì)量流量,W為系統(tǒng)運行時的輸入功率(包括水泵的耗功)。

      由圖4可以看出,系統(tǒng)的制熱量受輻照條件影響較大,太陽輻照越強,制熱量明顯越大,反之,輻照強度降低,制熱量也隨之下降,系統(tǒng)的耗電量變化則不明顯。由式(2)可知,系統(tǒng)COP也隨太陽輻照增強而增大,隨太陽輻照減弱而減小。根據(jù)3個典型日的試驗數(shù)據(jù),系統(tǒng)的單機制熱量在4.1~8.0 kW 之間,平均COP在9.0以上,儲熱效果顯著。

      2.3試驗大棚與對比大棚的比較分析

      [CM(24]為研究大棚熱泵土壤蓄熱的效果,將供熱模式時室內(nèi)溫[CM)]

      [FK(W33][TPJLL44.tif]

      度的下限值設為-20 ℃,系統(tǒng)只運行儲能模式,在試驗大棚和對比大棚中分別布置4個溫度測點,用套管式水銀溫度計測量大棚室內(nèi)氣溫,用直角地溫計測量地下10 cm處地溫,得出試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

      [TPJLL55.tif;S+2mm]

      由圖5可以看出,太陽能熱泵土壤蓄熱系統(tǒng)在白天對大棚室內(nèi)溫度影響不大,到了晚上由于儲存在地下的熱量會緩慢地釋放到大棚室內(nèi),試驗大棚較對比大棚室內(nèi)溫度要高,大棚室內(nèi)溫度日平均提升2.4 ℃。由圖6可以看出,太陽熱泵土壤蓄熱對地溫提升明顯,與對比大棚相比,10 cm處溫度平均每天可提升4.6 ℃,提升最大在中午12:00,最大提升 6.5 ℃。

      3結(jié)論

      太陽輻照強度直接影響土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的供水溫度,隨輻照增強,供水溫度升高,供回水溫差變化不大,一般在0~6 ℃之間。

      蓄熱量受太陽輻照條件的影響較大,輻照越強,蓄熱量越多。系統(tǒng)的COP隨著輻照增強也有所增大,平均COP在9.0以上。

      為了充分利用白天多余的太陽能,用大棚土壤來蓄熱,可將地下10 cm處地溫平均日提升4.6 ℃,最高提升6.5 ℃,由于儲存在地下的熱量緩慢散發(fā),大棚室內(nèi)溫度平均日提升24 ℃,設計效果顯著。

      本試驗對北方大棚實行太陽能熱泵土壤蓄熱進行了研究,為以后的工程設計提供了重要的參考價值。

      [HS2][HT8.5H]參考文獻:[HT8.SS]

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